THYRISTOR

Konsep thyristor

Apabila 2 (dua) buah transistor NPN dan PNP

mempunyai karakteristik yang sama, maka kedua transistor tersebut dikatakan complementary (komplemen). Misalnya, transistor-transistor 2N3904 (NPN) dan 2N3096 (PNP). Kedua transistor ini memiliki nilai-nilai ß, tegangan breakdown, arus nominal dan lain-lain yang sama. Karena itu, keduanya dikatakan komplemen.

Gambar berikut menunjukkan suatu complementary latch, yaitu cara khusus untuk menghubungkan transistor-transistor yang komplemen. Suatu complementary latch dapat berada dalam keadaan menghantar atau tidak menghantar. Dalam keadaan menghantar dia akan berfungsi sebagai saklar tertutup dan akan tetap tertutup sampai ada suatu kekuatan dari luar untuk membukanya. Dalam keadaan tidak menghantar dia akan berfungsi sebagai suatu saklar terbuka dan akan tetap terbuka sampai ada kekuatan dari luar menutupnya.

Untuk menjelaskan konsep suatu complementary latch, marilah kita ikuti uraian berikut ini! Pada gambar di bawah ditunjukkan suatu susunan (gambar a dan b) dan simbol (gambar c) dioda empat lapis (four layer diode). Komponen ini diklasifikasikan sebagai dioda karena memiliki dua terminal, yaitu anoda dan katoda. Karena dioda ini memiliki empat daerah, maka sering disebut dioda PNPN.

Jika diperhatikan pada gambar b, tampak bahwa sebelah kiri merupakan susunan transistor PNP dan sebelah kanan susunan transistor NPN. Karena itu dioda empat lapis adalah sama dengan complementary latch.
Dioda empat lapis ini sering disebut dengan Thyristor.

Ciri utama thyristor adalah komponen yang terbuat dari bahan semikonduktor silikon. Walaupun bahannya sama, namun struktur P-N junction yang dimilikinya lebih kompleks dibanding transistor bipolar atau MOS. Komponen thyristor lebih digunakan sebagai saklar (switch) daripada sebagai penguat arus atau tegangan seperti halnya transistor.

Struktur dasar thyristor adalah struktur 4 layer PNPN seperti yang ditunjukkan pada gambar (a) di atas. Jika dipilah, struktur ini dapat dilihat sebagai dua struktur junction PNP dan NPN yang tersambung di tengah seperti pada gambar (b) di atas. Ini tidak lain adalah dua buah transistor PNP dan NPN yang tersambung pada masing-masing kolektor dan base. Jika divisualisasikan sebagai transistor Q1 dan Q2, maka struktur thyristor ini dapat diperlihatkan seperti pada gambar berikut.

Terlihat di sini kolektor transistor Q1 tersambung pada base transistor Q2 dan sebaliknya kolektor transistor Q2 tersambung pada base transistor Q1. Rangkaian transistor yang demikian menunjuk-kan adanya loop penguatan arus di bagian tengah. Seperti yang kita ketahui bahwa IC = ß. IB, atau arus kolektor adalah penguatan dari arus base.

Jika, misalnya, ada arus sebesar IB yang mengalir pada base transistor Q2, maka akan ada arus IB yang mengalir pada kolektor Q2. Arus kolektor ini merupakan arus base IB pada transistor Q1, sehingga akan muncul penguatan pada arus kolektor transistor Q1. Arus kolektor transistor Q1 tidak lain adalah arus base bagi transistor Q2. Demikian seterusnya sehingga makin lama sambungan PN dari thyristor ini di bagian tengah akan mengecil dan hilang yang tertinggal hanyalah lapisan P dan N di bagian luar.

Jika keadaan ini tercapai, maka struktur ini merupakan struktur dioda PN (anoda-katoda) yang sudah dikenal. Pada saat yang demikian, thyristor disebut dalam keadaan ON dan dapat mengalirkan arus dari anoda menuju katoda seperti layaknya sebuah dioda.

Bagaimana kalau pada thyristor ini kita beri beban lampu dc dan diberi suplai tegangan dari nol sampai tegangan tertentu seperti pada gambar di bawah? Apa yang terjadi pada lampu ketika tegangan dinaikkan dari nol? Ya, betul. Tentu saja lampu akan tetap padam karena lapisan N-P yang ada di tengah akan mendapatkan reverse-bias (teori dioda). Pada saat ini thyristor disebut dalam keadaan OFF karena tidak ada arus yang bisa mengalir atau sangat kecil sekali. Arus tidak dapat mengalir sampai pada suatu tegangan reverse-bias tertentu yang menyebabkan sambungan NP ini jenuh dan hilang. Tegangan ini disebut tegangan breakdown. Pada saat itu arus mulai dapat mengalir melewati thyristor sebagaimana dioda umumnya. Tegangan ini disebut tegangan breakover (Vbo).

Garis putus-putus menunjukkan peralihan antara daerah cutt-off dan jenuh. Dibuat putus-putus untuk menujukkan bahwa thyristor berubah secara cepat antara keadaan ON dan OFF.

 Pada saat dalam kondisi OFF, arus sama dengan nol. Apabila tegangan dioda melebihi Vbo, maka breakover beralih sepanjang garis putus-putus menuju ke daerah jenuh. Dioda akan beroperasi pada garis sebelah atas. Selama arus yang melalui lebih besar dari arus genggam (holding current) Ih, dioda akan terkunci pada kondisi ON. Sebaliknya bila arus yang melewati dioda lebih kecil dari Ih, maka dioda akan putus (OFF).

Contoh soal:

Sebuah rangkaian seperti di bawah dengan spesifikasi dioda dari datasheet memiliki tegangan breakover sebesar 10 V. Apabila tegangan masukan naik menjadi 15 V, berapa arus dioda?

Penyelesaian:

Karena tegangan masukan 15 V lebih besar dari Vbe yang besarnya 10V, dioda breakover. Secara ideal dioda akan seperti saklar tertutup, sehingga arusnya:

Beberapa komponen yang termasuk thyristor antara lain PUT (programmable uni-junction transistor), UJT (uni-junction transistor), GTO (gate turn off switch), dan photo SCR. Namun, pada kesempatan ini, yang akan dikemukakan hanya komponen-komponen thyristor yang dikenal dengan sebutan SCR (silicon controlled rectifier), TRIAC dan DIAC.

SCR (Silicon Controlled Rectifier)

Telah dibahas, bahwa untuk membuat thyristor menjadi ON kita harus memberi arus trigger lapisan P yang dekat dengan katoda. Caranya dengan membuat kaki gate pada thyristor PNPN seperti pada gambar di bawah. Karena letaknya yang dekat dengan katoda, pin gate ini bisa juga disebut pin gate katoda (cathode gate). Beginilah SCR dibuat dan simbol SCR digambarkan seperti ilustrasi di bawah. SCR dalam banyak literatur disebut Thyristor saja.

Susunan SCR hampir sama dengan susunan dioda empat lapis, hanya saja pada SCR terdapat tambahan satu terminal keluar pada basis transistor PNP yang disebut Gate.

Karakteristik Kurva SCR

 Melalui kaki (pin) gate tersebut memungkinkan komponen ini ditrigger atau dipicu menjadi ON, yaitu dengan memberi arus gate. Ternyata dengan memberi arus gate Ig yang semakin besar dapat menurunkan tegangan breakover (Vbo) sebuah SCR. Tegangan ini merupakan tegangan minimum yang diperlukan SCR untuk menjadi ON. Sampai pada suatu besar arus gate tertentu, ternyata akan sangat mudah membuat SCR menjadi ON. Bahkan dengan tegangan forward yang kecil sekalipun. Misalnya 1 volt saja atau lebih kecil lagi. Kurva tegangan dan arus dari sebuah SCR dapat dilihat pada gambar berikut ini.

Pada gambar tertera tegangan breakover Vbo, yang jika tegangan forward SCR mencapai titik ini, maka SCR akan ON. Lebih penting lagi adalah arus Ig yang dapat menyebabkan tegangan Vbo turun menjadi lebih kecil. Pada gambar ditunjukkan beberapa arus Ig dan hubungannya dengan tegangan breakover. Pada datasheet SCR, arus trigger gate ini sering ditulis dengan notasi IGT (gate trigger current). Pada gambar ditunjukkan juga arus Ih, yaitu arus holding yang mempertahankan SCR tetap ON. Jadi, agar SCR tetap ON, arus forward dari anoda menuju katoda harus berada di atas parameter ini.

Sejauh ini yang dikemukakan adalah bagaimana membuat SCR menjadi ON. Pada kenyataannya, sekali SCR mencapai keadaan ON maka selamanya akan ON, walaupun tegangan gate dilepas atau di short ke katoda. Satu-satunya cara untuk membuat SCR menjadi OFF adalah dengan membuat arus anoda-katoda turun di bawah arus Ih (holding current). Pada gambar kurva SCR, jika arus forward berada di bawah titik Ih, maka SCR kembali pada keadaan OFF. Berapa besar arus holding ini? Umumnya ada di dalam datasheet SCR.

Cara membuat SCR menjadi OFF dengan menurunkan tegangan anoda-katoda ke titik nol. Karena inilah SCR atau thyristor pada umumnya tidak cocok digunakan untuk aplikasi DC. Komponen ini lebih banyak digunakan untuk aplikasi tegangan AC, karena SCR bisa OFF pada saat gelombang tegangan AC berada di titik nol.

Ada satu parameter penting lain dari SCR, yaitu VGT. Parameter ini adalah tegangan trigger pada gate yang menyebabkan SCR ON. Kalau dilihat dari model thyristor pada gambar, tegangan ini adalah tegangan Vbe pada transistor Q2. VGT seperti halnya Vsub>be, besarnya kira-kira 0.7 volt (bahan silikon). Seperti contoh rangkaian gambar berikut ini sebuah SCR diketahui memiliki IGT = 10 mA dan VGT = 0.7 volt. Maka dapat dihitung tegangan VIN yang diperlukan agar SCR ini ON, yaitu sebesar:

Untuk memudahkan pemahaman prinsip SCR, berikut terminologi parameter SCR.

Ig  = Gate Current (arus gate)'

Ih  = Holding Current (arus genggam)'

Vbo= Breakover Voltage (tegangan breakover)'

VGT= Gate Trigger Voltageikut (tegangan pemicuan gate)'

IGT = Gate Trigger Current (arus pemicuan gate)'

Sudut Penyulutan (Firing Angle) SCR

Telah dikemukakan di awal bahwa SCR atau thyristor pada umumnya tidak cocok digunakan untuk aplikasi DC. Komponen ini lebih banyak digunakan untuk aplikasi-aplikasi tegangan AC, karena SCR bisa OFF pada saat gelombang tegangan AC berada di titik nol.

Sudut penyulutan adalah sudut yang diperlukan agar SCR tersulut, artinya ketika SCR diaplikasikan dengan tegangan AC. Untuk membuat ON, SCR harus disulut dengan sudut tertentu. Sudut ini disebut dengan sudut penyulutan (firing angle).

Beberapa aplikasi menggunakan pengendali sudut fasa untuk mendapatkan sudut penyulutan yang tepat agar SCR ON. Berikut adalah contoh aplikasi pengendalian sudut SCR.

Pada rangkaian tersebut, variabel resistor R1 dan kapasitor C menggeser sudut fasa sinyal gate. Saat R1 = 0 Ω, tegangan gate (VGT) memiliki fase yang sama dengan tegangan catu dan SCR hanya berfungsi sebagai penyearah setengah gelombang, R2 membatasi arus (IGT) pada batas yang aman.

Pada saat R1 naik, tegangan gate akan tertinggal dibanding tegangan catu dengan sudut antara 0  sampai 90 derajat. 

Sebelum tegangan gate mencapai titik pemicuan, SCR tidak aktif dan arus beban sama dengan nol. Pada titik pemicuan, tegangan kapasitor cukup besar untuk memicu SCR. Saat ini terjadi hampir seluruh tegangan catu diberikan pada beban dan arus beban menjadi tinggi. Secara ideal, SCR akan tetap ON atau terkunci sampai polaritas tegangan catu terbalik.

Bagian yang diarsir menunjukkan sudut penghantaran atau saat SCR sedang ON. Karena R1 tidak tetap, sudut fase tegangan dapat diubah. Hal ini akan memungkinkan kita untuk mengatur bagian yang diarsir pada tegangan catu. Artinya, kita dapat mengatur arus rata-rata yang melalui beban dan sangat berguna untuk, misalnya, mengubah kecepatan motor, terangnya lampu, atau temperatur pemanas.

Pada rangkaian pengendali fase RC seperti rangkaian di atas, jangkauan arus yang dapat dibatasi karena sudut fase hanya bervariasi dari 00 sampai 900, yang berarti sudut penghantaran berubah dari 1800 ke 900. Tetapi beberapa rangkaian, kita dapat mengubah sudut fase dari 00 sampai 1800, yang memungkinkan kita untuk mengubah arus rata-rata dari nol sampai maksimum.

TRIAC

Boleh dikatakan SCR adalah thyristor yang uni-directional (satu arah), karena ketika ON hanya bisa melewatkan arus satu arah saja, yaitu dari anoda menuju katoda. Struktur TRIAC sebenarnya sama dengan dua buah SCR yang arahnya bolak-balik dan kedua gate-nya disatukan. Simbol TRIAC ditunjukkan pada gambar di bawah. TRIAC biasa juga disebut thyristor bi-directional (dua arah).

TRIAC bekerja mirip seperti SCR yang paralel bolak-balik, sehingga dapat melewatkan arus dua arah. Kurva karakteristik dari TRIAC seperti tampak pada gambar berikut ini.

Pada data sheet akan lebih rinci diberikan besar parameter-parameter seperti Vbo dan -Vbo, lalu IGT dan -IGT, Ih serta -Ih dan sebagainya. Umumnya besar parameter ini simetris antara yang plus dan yang minus. Dalam perhitungan desain, bisa dianggap parameter ini simetris sehingga lebih mudah dihitung.

Sudut Penyulutan (Firing Angle) TRIAC

Rangkaian di bawah menunjukkan rangkaian RC yang memberikan variasi sudut fase penyulutan gerbang TRIAC. Rangkaian ini dapat mengatur arus melalui sebuah beban yang besar.

Ilustrasi berikut menunjukkan tegangan catu dan tegangan gate yang tertinggal. Saat tegangan kapasitor cukup besar untuk mencatu arus trigger, TRIAC akan menghantar. Sekali menghantar, TRIAC akan terus menghantar sampai tegangan catu kembali ke nol.

DIAC

Kalau dilihat strukturnya seperti gambar di bawah, DIAC bukanlah termasuk keluarga thyristor, namun prinsip kerjanya membuat ia digolongkan sebagai thyristor. DIAC dibuat dengan struktur PNP mirip seperti transistor. Lapisan N pada transistor dibuat sangat tipis sehingga elektron dengan mudah dapat menyeberang menembus lapisan ini. Pada DIAC, lapisan N dibuat cukup tebal sehingga elektron cukup sukar untuk menembusnya. Struktur DIAC yang demikian dapat juga dipandang sebagai dua buah dioda PN dan NP, sehingga dalam beberapa literatur DIAC digolongkan sebagai dioda.

Sukar dilewati oleh arus dua arah, DIAC memang dimaksudkan untuk tujuan ini. Hanya dengan tegangan breakdown tertentu barulah DIAC dapat menghantarkan arus. Arus yang dihantarkan tentu saja bisa bolak-balik dari anoda menuju katoda dan sebaliknya. Kurva karakteristik DIAC sama seperti TRIAC, tetapi yang hanya perlu diketahui adalah berapa tegangan breakdown-nya.

Simbol DIAC seperti tampak pada gambar. DIAC umumnya dipakai sebagai pemicu TRIAC agar ON pada tegangan input tertentu yang relatif tinggi. Contohnya adalah aplikasi dimmer lampu yang berikut pada gambar di bawah.

Jika diketahui IGT dari TRIAC pada rangkaian di atas 10 mA dan VGT = 0.7 volt. Lalu diketahui juga yang digunakan adalah sebuah DIAC dengan Vbo = 20 V, maka dapat dihitung TRIAC akan ON pada tegangan:

V = IGT(R)+Vbo+VGT = 120.7 V

Pada rangkaian dimmer, resistor R biasanya diganti dengan rangkaian seri resistor dan potensiometer. Di sini kapasitor C bersama rangkaian R digunakan untuk menggeser phasa tegangan VAC. Lampu dapat diatur menyala redup dan terang, tergantung pada saat kapan TRIAC di picu.

Aplikasi Thyristor

Berikut adalah salah satu contoh aplikasi thyristor digunakan sebagai alarm.